Efectos de las prácticas de manejo sobre los procesos microbianos

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UNIDAD VIII: EFECTOS DE LAS PRÁCTICAS PRODUCTIVAS SOBRE LOS
PROCESOS MICROBIANOS DEL SUELO
Teniendo en cuenta la complejidad de las interacciones nutricionales de los
microorganismos, la fertilidad de un suelo no depende de la magnitud de un
proceso determinado sino del balance que se establece entre diferentes procesos.
Las prácticas productivas desplazan este balance y la posibilidad de retomar su
punto inicial depende de las características de homeostasis del sistema, por lo
que no todos los suelos responden de igual manera. Los tiempos requeridos para
amortiguar el impacto varían básicamente según la reserva de energía y
nutrientes presentes en el humus.
Numerosos trabajos evalúan el efecto del uso de la tierra sobre los
microorganismos edáficos. La opinión generalizada es que los distintos sistemas
productivos afectan la reserva de materia orgánica y por ende a los
microorganismos que dependen de ella. Las prácticas de manejo pueden
modificar positivamente la vida del suelo promoviendo
los procesos de
descomposición, asimilación, agregación y mineralización, pero también
negativamente, aumentando la denitrificación y pérdidas de NH4+. Las prácticas
de manejo que mayor impacto causan sobre el balance natural de los procesos
microbianos del suelo son:
CAMBIOS EN LA VEGETACIÓN ORIGINAL
Los cambios en la vegetación, entre sistemas naturales y agroecosistemas,
son muy importantes en cuanto a diversidad y estructura de especies. Los
sistemas cultivados son monoespecíficos, lo que afecta el tipo y cantidad de
residuos, la cobertura y la diversidad de captación de nutrientes. La
transformación de bosques en cultivos produce un fuerte impacto sobre la biota
del suelo. Se menciona que después de la deforestación hay un incremento de la
biomasa microbiana, con un marcado cambio en el número y dominancia de
especies debido al aumento del residuo superficial y a la mayor disponibilidad de
raíces muertas. La biodiversidad del suelo es fuertemente dependiente del tipo,
cantidad y composición química de la vegetación, ya que las plantas son la
principal fuente de energía y nutrientes orgánicos de los cuales depende la biota
edáfica. El reemplazo de la vegetación original por cultivos, especialmente
monocultivos continuos, puede alterar la composición y biomasa microbianas de
diferentes maneras:
Efecto sobre la interacción microorganismo–planta
Es evidente que los organismos simbióticos fijadores de N2 y micorrizas
dependen de la abundancia de la planta huésped y que a causa de la alta
especificidad de estas asociaciones, los cambios de vegetación pueden modificar
la diversidad microbiana. Experiencias en áreas agrícolas de la provincia de
Córdoba, demuestran que la actividad fijadora de N2 durante un barbecho fue más
elevada cuando estaban presentes plantas vivas, ya sean malezas o un verdeo,
como consecuencia de la asociación de las raíces con organismos fijadores de
nitrógeno.
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Efecto sobre la materia orgánica del suelo
El efecto de la vegetación sobre la actividad microbiana del suelo, es de
suma importancia especialmente en zonas tropicales, porque la cobertura vegetal
amortigua condiciones climáticas extremas. Cambios en los patrones de
vegetación pueden tener significativos efectos sobre los microorganismos que
intervienen en la síntesis-degradación del humus del suelo. Por ejemplo el
sobrepastoreo en áreas de bosque chaqueño conduce a una pérdida exponencial
de materia orgánica a causa de la escasez de residuos y de la activación de la
respiración microbiana, por aumento de la temperatura en zonas sin vegetación.
Efecto sobre la disponibilidad de nutrientes
Con el cambio de vegetación se altera la sincronización natural existente
entre la actividad de plantas y microorganismos. La separación en el tiempo entre
los procesos de mineralización y los requerimientos de la nueva vegetación da
como resultado una baja eficiencia en el uso de los nutrientes, ya que los
nutrientes liberados en periodos sin cultivo están sujetos a pérdidas por lixiviación
o volatilización.
SISTEMAS DE LABRANZA
Las labranzas y como consecuencia el manejo de los residuos, son los
mayores factores que influyen la sustentabilidad de los sistemas de agricultura
continua. La posición del residuo, debido a la labranza, provoca severos cambios
en el ecosistema suelo que afecta de manera directa a los microorganismos.
Efecto sobre la biomasa microbiana
En general, las poblaciones microbianas son mejoradas por las labranzas a
causa de que las prácticas de laboreo fragmentan e invierten los residuos,
rompen los agregados y aumentan la aireación del suelo fomentando una intensa
actividad microbiana en la zona de la labor. Por el contrario la falta de labranza
circunscribe la actividad microbiana en la superficie del suelo.
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El aumento de la biomasa microbiana por el laboreo tiene una gran
importancia como componente lábil de la materia orgánica y como fuente y
reserva de nutrientes. La liberación de CO2 es casi 10 veces más rápida a partir
de la biomasa microbiana que de los restos vegetales, lo que es consistente con
las pérdidas de materia orgánica ocasionadas por laboreos continuos. Además, la
descomposición gradual del residuo en sistemas sin laboreo, resulta más eficiente
para la retención de C en el suelo y que tiene enorme incidencia sobre el cambio
climático global debido a que al suelo representa uno de los más grandes
reservorios de carbono orgánico del planeta.
Efecto sobre la disponibilidad de nutrientes
Las labranzas convencionales modifican sustancialmente el perfil natural
del suelo, homogeneizando las condiciones ambientales y alterando la secuencia
natural de la mineralización. En general en los suelos laboreados predominan las
bacterias mientras que en el residuo superficial dominan los hongos. Este aspecto
es de enorme importancia para la evaluación de la cantidad de nutrientes
inmovilizados en la biomasa microbiana. A causa de las diferencias en efectividad
metabólica, los hongos retienen menor cantidad de nutrientes que las bacterias.
Es decir a igual cantidad de biomasa de residuo, en suelos no laboreados se
inmoviliza menor cantidad de nutrientes que con labranza convencional.
Por efecto del laboreo previo a la siembra, la biomasa microbiana se vuelve
muy activa, consume rápidamente C y mineraliza nutrientes que se pierden antes
que la planta los pueda utilizar y posteriormente, cuando el cultivo requiere
nutrientes, debe competir con esta gran población de microorganismos. En
laboreos sin incorporación de residuos, la mineralización gradual y la liberación de
nutrientes se produce durante un largo periodo de tiempo, pudiendo estar
disponibles al momento de emergencia de las plántulas. En la zona de Manfredi
se observó que los suelos sin laboreo tienen mayor disponibilidad de nitrógeno al
momento de la siembra que los laboreados indicando que la mayor parte de los
nutrientes mineralizados por la labranza no fueron retenidos en el suelo.
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Efecto sobre la fijación biológica de N2
La fijación de N2 por organismos de vida libre es estimulada por la
deposición superficial de los residuos de cosecha a causa de la provisión de
energía y carbono y el aumento de la capacidad de retención de agua. Asimismo,
se menciona que las labranzas sin remoción de suelo favorecen la fijación por
organismos simbióticos, especialmente cuando el suelo presenta baja
disponibilidad de N o problemas de estrés hídrico. Ha sido demostrado que la
actividad nitrogenasa aumenta en sistemas con siembra directa, tanto en el
suelo, por organismos de vida libre, como en nódulos de soja.
FERTILIZACIÓN
La fertilización es una práctica generalizada en todo sistema agrícola para
reponer los nutrientes extraídos por el cultivo. Desde el punto de vista de un
manejo sustentable, los criterios para el uso de fertilizantes no deben desconocer
los efectos que producen los fertilizantes sobre los procesos microbianos del
suelo. Por lo que la estimación de las dosis y momentos de fertilización deben
ajustarse no solo a los requerimientos de la planta sino también a la actividad
microbiana responsable de la disponibilidad de los nutrientes del fertilizante.
Efectos sobre la biomasa vegetal y microbiana
Obviamente el aumento de nutrientes por aplicación de fertilizantes
incrementa la biomasa vegetal y por lo tanto aumenta el residuo que retorna al
suelo. Pero además, aumenta la abundancia de microorganismos que, debido a la
disminución de la relación C/N, consumen C del humus como fuente de energía.
Este mecanismo provoca la tan conocida pérdida de materia orgánica en los
suelos que son fertilizados de manera continua. Contrariamente, la fertilización
también puede tener un fuerte efecto biocida en el suelo alrededor de la zona de
aplicación. Por ejemplo, la urea colocada en bandas provoca alta mortandad de
microorganismos debido a la toxicidad del amonio concentrado.
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Efecto sobre la inmovilización de nutrientes
Generalmente se asume que bajo siembra directa los cultivos deben
forzosamente ser suplementados con fertilizantes porque los microorganismos
que descomponen los residuos inmovilizan los nutrientes para las plantas. Sin
embargo la inmovilización de nutrientes en la biomasa microbiana del residuo
superficial es solo un problema en los primeros años del cambio de sistema de
labranza. Se conoce que la dosis de fertilizantes requeridos para mantener la
productividad disminuye con los años de aplicación de la siembra directa, ya que
el aumento de materia orgánica, va acompañado por un aumento de las reservas
de N proveniente de residuos de cosechas anteriores.
Efecto sobre la mineralización de nutrientes
La mineralización de N se ve muy afectada por la aplicación de fertilizantes
nitrogenados especialmente por el brusco cambio de pH y el aumento de la
presión osmótica de la solución del suelo. El pH fuertemente alcalino por
aplicación de urea inhibe la actividad de los organismos nitratadores y provoca
acumulación de nitritos en el suelo, mientras que la aplicación de nitratos baja
bruscamente el pH inhibiendo la oxidación del amonio. En ambos casos los
procesos pierden la sincronización original y los suelos pasan a depender
exclusivamente del N aportado por los fertilizantes.
9
600
6
400
3
200
0
nitratos (mg kg-1)
abundancia de microorganismos (log g-1)
Efecto de la fertilización de maíz sobre los nitrificadores y el contenido de
nitratos en el suelo. I: suelo inicial; S: siembra; N1: 15 días de la siembra; N2: 30
días de la siembra; N3: 45 días de la siembra; F: floración; C: cosecha
0
I
S
N1
N2
N-NO3
N3
F
C
nitrificadores
Por otra parte, el aumento de la presión osmótica de la solución del suelo
dificulta la absorción de agua por las plantas, por lo que, cultivos fertilizados
requieren mayor cantidad de agua durante su ciclo. Por este motivo, en zonas
semiáridas, la mejor respuesta a la fertilización se logra cuando se incorporan
120
sistemas de riego. Asimismo, la aplicación de fertilizantes provoca un desbalance
en la concentración de minerales en solución, particularmente en relación a
elementos menores, lo que dificulta la captación equilibrada de nutrientes.
Actualmente se trata de paliar esta situación incorporando a los fertilizantes la
mayoría de los elementos requeridos por las plantas, lo cual altera los
mecanismos de mineralización de los otros nutrientes.
Efecto sobre las pérdidas de nutrientes
La eficiencia de la fertilización es en general muy baja debida a las
pérdidas por volatilización y lixiviación. En sistemas de siembra directa existen
grandes pérdidas por volatilización de NH3 proveniente de la degradación de la
urea que queda sobre el residuo superficial. Pero uno de los mayores problemas
radica en las pérdidas de nitritos y nitratos por lixiviación y escorrentía, que se
acumulan en aguas subterráneas, ríos y embalses con consecuencias negativas
para el medioambiente y la salud (eutroficación y metahemoglobinemia). Este
aspecto es un problema muy grave en países desarrollados y ha llevado a la
aplicación de normas estrictas de regulación del uso de fertilizantes.
El límite máximo de nitratos en acuíferos para que no presenten riesgos
para la salud y el medioambiente establecido por la Organización Mundial de la
Salud (OMS) es de 45 mg/L. En zonas agrícolas de la provincia de Córdoba han
sido detectados acuíferos con niveles de nitratos superiores a 45 mg/L sin que se
hayan tomado medidas para remediar y/o evitar este serio problema.
Contenido de nitratos en acuíferos del departamento Marcos Juárez
(Córdoba). En negrita los valores que superan el límite establecido por la OMS.
profundidad
120 m
freática (6-8 m)
NO3 (mg/L)
NO3 (mg/L)
muestra 1
1.3
muestra 7
5.0
muestra 2
0.0
muestra 8
14.0
muestra 3
61.7
muestra 9
171.0
muestra 4
54.5
muestra 10
189.0
muestra 5
56.5
muestra 11
81.0
muestra 6
22.7
muestra 12
103.0
muestra 13
105.5
muestra 14
151.0
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Efectos sobre la fijación biológica de nitrógeno
Debido al efecto inhibidor del amonio sobre la enzima Nasa, la fertilización
nitrogenada provoca una fuerte reducción de la fijación biológica de N2 por
organismos libres y simbióticos del suelo. Este aspecto debe tenerse muy en
cuenta cuando se fertiliza un cultivo que además será inoculado con bacterias
fijadoras de N2. Por ejemplo, en soja suele aplicarse una fertilización fosfatada a
la siembra de la semilla inoculada por lo que debe controlarse que la formulación
del fertilizante no incluya amonio (fosfato de amonio).
APLICACIÓN DE BIOCIDAS
Los herbicidas e insecticidas aplicados a campo rara vez logran suficiente
concentración en el suelo como para dañar directamente a los microorganismos.
Se menciona que los organismos nitrificadores son los más susceptibles a los
diferentes biocidas y que existe inhibición de la nitrificación después de la
aplicación. Generalmente los herbicidas disminuyen transitoriamente las
poblaciones de hongos, mientras que aumentan las bacterias capaces de
degradarlo. Probablemente, el efecto más importante de la aplicación de
herbicidas es la interrupción de la interacción microorganismo-planta, alterando la
abundancia y actividad de las poblaciones rizosféricas, especialmente de
bacterias fijadoras de N.
USO DEL FUEGO
Si bien la quema de vegetación no es una práctica agrícola generalizada,
es de enorme importancia en el manejo de desmontes y pastizales naturales para
favorecer el rebrote de las pasturas. El fuego es un proceso de mineralización no
biológica que suele ser enfocado desde diferentes posiciones debido a que el
efecto de las quemas varía considerablemente según sea el clima, la intensidad
del fuego, la vegetación y especialmente el tipo de manejo previo y posterior del
sitio quemado.
El fuego provoca una disminución muy marcada del número y actividad de
los microorganismos por efecto directo del aumento de temperatura y la
combustión de la materia orgánica superficial. La magnitud de este efecto
depende mucho de las características fisiológicas de los diferentes grupos de
microorganismos. Por ejemplo, un fuego de fuerte intensidad afecta a todas las
poblaciones microbianas excepto a las que presentan estructuras de resistencia al
calor (endosporas) siendo el efecto más notable en los organismos nitrificadores y
fijadores de N2 a causa del aumento de nitratos del suelo por la deposición de
cenizas.
El tiempo para lograr la recuperación de las poblaciones edáficas después
de un incendio depende de la intensidad del fuego y del manejo posterior a la
quema. Por ejemplo, si los lotes quemados son sometidos a una fuerte presión de
pastoreo que elimina el retorno de restos vegetales al suelo, la recuperación
después de un incendio será muy lenta aunque el fuego haya sido de escasa
intensidad.
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INDICADORES BIOLOGICOS DE CALIDAD DEL SUELO
Teniendo en cuenta el fuerte efecto que tienen las prácticas productivas
sobre la vida del suelo, los microorganismos suelen utilizarse como indicadores
de calidad del suelo con la finalidad de establecer pautas adecuadas de manejo.
Se llama bioindicador a un organismo vivo que cambia su abundancia, actividad o
morfología a causa de modificaciones en el ambiente donde vive. Por tales
motivos los bioindicadores deben ser muy sensibles a los cambios y de amplia
distribución, pero además deben ser fáciles de medir con metodologías simples y
baratas.
El análisis de los principales grupos funcionales de microorganismos del
suelo cumple con los requisitos de un buen indicador, sin embargo el distinto
grado de sensibilidad de los grupos funcionales hace que algunos sean más
adecuados que otros. Los grupos microbianos demasiados diversos, que incluyen
muchas y muy variadas especies (por ej. amonificadores), son poco sensibles a
causa de que cada especie responde diferencialmente al impacto.
Contrariamente, los nitrificadores que tienen escasa cantidad de individuos y que
están restringidos prácticamente a dos géneros (Nitrosomonas y Nitrobacter), es
un grupo de muy alta sensibilidad.
Otro aspecto a considerar es si los cambios que se pretenden detectar son
intensos y de corta duración o lentos pero continuos en el tiempo. Por ejemplo, la
abundancia de organismos celulolíticos es muy sensible a los cambios producidos
inmediatamente después de un disturbio intenso como son los laboreos del suelo.
La respiración también es un parámetro muy sensible en cambios
inmediatos y puntuales como lluvias y laboreos. Sin embargo en cambios lentos y
continuos es poco variable, por lo que en estos casos, suele utilizarse la medida
de respiración combinada con otros parámetros químicos y biológicos. Los índices
más utilizados relacionan la respiración con el contenido de materia orgánica
(índice de mineralización de C) y con la cantidad de biomasa microbiana (qCO2).
El índice de mineralización de C es útil para detectar la tendencia de un suelo a
ganar o perder C orgánico, mientras que el qCO2 indica la cantidad de biomasa
microbiana activa y se utiliza para establecer la potencialidad de degradación de
un suelo.
La relación entre la cantidad de individuos de los diferentes grupos
funcionales, (estructura de la comunidad) también es usada como indicadora de
impacto. Generalmente se establecen cambios en la población dominante
después de algunas prácticas productivas. Por ejemplo, los organismos fijadores
de N2 son dominantes en suelos en restauración y los celulolíticos en suelos
laboreados.
El general los parámetros biológicos resultan ser más sensibles que los
químicos particularmente frente a situaciones de bajo impacto y cortos periodos
de tiempo. Esto se debe a que algunos parámetros químicos varían muy
lentamente (como el contenido de materia orgánica) o por el contrario, tienen alta
variabilidad (como el contenido de nitratos porque está sujeto a lixiviación y
asimilación). Por lo que los parámetros biológicos como la respiración (cambios
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en la fracción lábil de la MO) y la abundancia de organismos nitrificadores
(capacidad de producir N disponible) resultan ser más adecuados.
Cuando se va trabajar con parámetros biológicos debe considerarse que
no existen valores absolutos que sean indicadores de mejor o peor calidad de un
suelo, sino que los resultados se expresan como variación respecto a los valores
testigos de un suelo no disturbado recolectado en la misma región y época del
año.